真實氣體Real Gases

化學原理啟迪127

1.      理想氣體是一個理論上的觀念。雖然有許多氣體在低溫與高壓下的行為非常接近理想氣體定律，不過，實際上，沒有氣體會真的完全遵守理想氣體定律。

2.      因此，理想氣體行為應該想成是，真實氣體在某種情況下十分接近的行為模式。

3.      在建立「分子動力理論」的時候，極度簡化氣體的特性，不考慮分子間的交互作用、假設氣體粒子沒有體積，用這種非常簡單的「分子動力模型」，成功地解釋理想氣體的行為模式。

4.      然而，有一點十分重要，我們應該檢驗實際的氣體與理想氣體定律有什麼落差，並且判斷出要怎麼修正分子動力理論，來解釋觀察到的現象。

5.      因為模型是模擬類似的情況，無法避免地會有誤差，我們應該有心理準備從錯誤中學習。事實上，我們從模型的錯誤中學習到的知識，遠比從模型正確的部分來得多。

6.      我們將透過測量真實氣體的壓力P、體積V、溫度T和莫耳數n，實際地觀察它們的行為，並且特別注意壓力與理想氣體定律PV/nRT的依賴關係。幾種氣體的PV/nRT與壓力的關係數線圖如下

7.      一個理想氣體的PV/nRT，無論在任何情況下都應該是1，但是特別注意，真實氣體的PV/nRT，只有在低壓的情況下接近1(一般是1大氣壓)。

8.      為了弄清楚溫度對氣體會產生什麼效果，我們把氮氣在不同溫度下，PV/nRT與壓力的關係記錄下來，如下圖

9.      特別注意，隨著溫度愈來愈高，氣體的行為也愈來愈接近理想氣體定律。

10.  從以上的數線圖，我們得到重要的結論，真實氣體在低壓與高溫下的行為模式，非常接近理想氣體。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》

 

徐弘毅：

1.      「nRT」＝氣體粒子的莫耳數目×常數×溫度。「溫度T」，是每顆粒子的能量來源；「常數R」，是要把粒子的能量轉換成撞擊容器的力量；再乘上「氣體粒子的莫耳數目n」，就是所有氣體粒子撞擊容器的力量。

2.      「nRT」是以每莫耳粒子的能量為單位，推算出來的撞擊容器力量。

3.      「PV」=氣體壓力×體積。「壓力P」所有粒子對容器牆壁平均每單位面積的撞擊力量；乘上容器的「體積V」，就是整個容器的撞擊力量。

4.      「PV」是從所有粒子集體撞擊力量，求出的數值。

5.      從各種氣體與壓力的關係圖發現，真實氣體，隨著壓力升高，粒子對容器的整體撞擊力量PV，往往會遠大於，從每莫耳氣體粒子能量推算出來的撞擊力量nRT。

6.      從氮氣在不同溫度下的氣體與壓力關係圖發現，真實氣體，溫度愈低，粒子對容器的整體撞擊力量PV，會遠大於，從每莫耳氣體粒子的能量推算出來的撞擊力量nRT。

7.      這代表什麼意思？真實氣體，在低溫與高壓的情況下，容器承受的力量，遠大於理想氣體定律，從每莫耳粒子推算出來的結果。

8.      可見得，氣體粒子之間一定發生了什麼事情，改變了每個粒子對牆壁的撞擊力量。到底發生了甚麼事情呢？這就是需要繼續研究與修正的地方。

9.      愛迪生：我的發明，是經歷許多恆久忍耐的工作之後，累積了無數的經驗的結果。不論任何發明，絕對沒有完美的東西，需要不斷地改良。

10.  昆布頓：科學，賦予人類的最大禮物是什麼？是使人類相信真理的力量。

11.  愛默生：知識和勇氣，能創造出偉大的工作，這二者能使人永垂不朽。